單片機-FreeRTOS(ing)

一、基礎介紹

1.1 調度策略

1.1.1 調度方式

1.1.2 調度器

1.2 任務以及優先級

1.2.1 任務與協程

1.2.2 任務狀態

1.2.3 任務優先級

1.2.4 任務優先級分配方案

1.3 任務間通信 - 信號量

1.3.1 信號量

1.3.2 任務間計數信號量的實現

1.3.3 中斷方式計數信號量的實現

1.3.4 計數信號量API函數

1.4 任務間通信 - 消息隊列

1.4.1 消息隊列

1.4.2 任務間消息隊列的實現

1.4.3 中斷方式消息隊列的實現

1.4.4 消息隊列常用API

1.5 任務間通信 - 互斥信號量

1.5.1 互斥信號量概念

1.5.2 優先級翻轉

1.5.3 互斥信號量的實現

1.5.4 常用互斥鎖API

一、基礎介紹

1.1 調度策略

1.1.1 調度方式

搶占式調度、時間片調度、合作式調度；

其中以搶占式、時間片為主，少見合作式；

(1).搶占式調度：任務有優先級，程序被高優先級先搶占，或者遇到阻塞式API函數；

(2).時間片調度：每個任務優先級相同，任務運行固定的時間片；

1.1.2 調度器

調度器會使用相關的調度算法，來決定當前應該做哪個任務；
調度器的共同特性：
(1).可以區分就緒態、掛起態任務；
(2).可以激活就緒態任務，讓它變成正在運行的運行態任務；
(3).不同調度器之間最大區別是如何分配就緒態任務間的完成時間；
操作系統核心是調度器和任務的切換；

1.搶占式調度器：
需要實現搶占式調度器，可以先在FreeRTOS配置文件FreeRTOSConfig.h中禁止使用時間片調度，這時候每個任務都需要配置不同優先級；
優先級值越大，優先等級越高；
比如，現在有任務Task1，Task2，Task3，他們的優先級分別是1，2，3；
此時會先運行Task3，直到它遇到系統阻塞式的API函數(比如延遲、標志位等)，這時候Task3被掛起，到了Task2運行，以此類推；

2.時間片調度器：
這個可以理解為，在同優先級的情況下。把時間拆分成時間片，比如現在有Task1，Task2，Task3，那么時間片先都為5個系統時鐘，Task1運行5個系統時鐘然后到Task2，Task2也運行5個，到Task3。

不管你干完了沒有，你的時間片用完了，就該到下一個任務運行。并且在這過程中，發生了阻塞，那么這個時間片過完了，也到下一個任務，并不會因為阻塞而等待；

1.2 任務以及優先級

1.2.1 任務與協程

！目前FreeRTOS 的協程功能在較新的版本中已被標記為 “過時”（deprecated），官方推薦使用輕量級任務（Lightweight Tasks）?或軟件定時器替代。

協程與標準任務的區別：

調度方式：任務是搶占式的（優先級決定執行權），協程是協作式的（需主動讓出 CPU）。
資源占用：協程棧開銷小，適合內存緊張的系統；任務需要獨立棧空間，內存消耗更大。
實時性：任務適合強實時需求，協程適合對響應時間要求不高的場景。

適用場景：

周期性執行但實時性要求不高的任務（如狀態監測、日志打印）。
內存受限的小型嵌入式系統。
簡化復雜狀態機的實現（避免使用大量全局變量保存狀態）。

1.2.2 任務狀態

運行：正在執行，正在占用處理器；
就緒：任務準備執行，但是因為目前有更高優先級的任務在執行。這個不同于阻塞和掛起；
阻塞：任務在等待某個觸發條件，一般進入阻塞態有個超時周期，超時后解除阻塞；
掛起：任務被強制暫停，不會參與調度，且無法被任何事件（包括超時）喚醒。

1.2.3 任務優先級

FreeRTOS最高優先級是通過 FreeRTOSConfig.h文件中的 configMAX_PRIORITIES進行配置的，實際可以用的優先級范圍是 [0,configMax_PRIORITIES-1]；
比如configMAX_PRIORITIES=5，那么優先級可以填 0，1，2，3，4；

優先級0表示的是空閑任務，一般建議configMAX_PRIORITIES<32;

1.2.4 任務優先級分配方案

IRQ任務：通過中斷服務程序進行觸發的任務，這種任務優先級最高；
高優先級后臺任務：如按鍵檢測、觸摸檢測、USB消息處理、串口消息處理；
低優先級：比如LED數碼管顯示，不需要實時性很強的任務；

這里記得把IRQ任務、高優先級任務設置成阻塞式，這樣才能釋放CPU使用權，讓低優先級任務有機會執行；

1.3 任務間通信 - 信號量

1.3.1 信號量

信號量最初是為了共享資源建立一個標志，該標志表示占用情況；
像是停車場剩余車位，比如剛開始初始值設置為50個空閑位置。有車進來就-1，假如減到0了，也就是沒車位了，那么需要停車場內有車出去，新來的車才能停進來，要不就等著；

功能：

(1).任務之間? 或者? 中斷函數與任務之間? 的同步；
(2).多個共享資源的管理；

1.3.2 任務間計數信號量的實現

任務間信號量，是指各個任務間使用信號量實現任務同步或者資源共享功能；
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其實很好理解，有點像我們平時寫代碼時的標志位；
目前有兩個任務 Task1、Task2，計數信號量可用資源為1；

任務Task1運行時，用xSemaphoreTake獲取信號量資源，假如資源沒被占用，那么Task1直接獲取資源，或者Task2占用了信號量，那么Task1轉到阻塞態，等待資源可用。Task1在獲取資源，并且使用后，通過xSemaphoreGive釋放資源；
在運行Task2時，也是按上面的邏輯；

1.3.3 中斷方式計數信號量的實現

FreeRTOS中斷方式信號量的實現，是指中斷函數與 FreeRTOS任務之間使用信號量；

目前假設有一個任務Task1，和一個串口接受中斷；
信號量初始值為0，串口中斷調用xSemaphoreGiveFromISR 釋放信號量，Task1調用xSemaphoreTake獲取信號量資源；

運行流程：
(1).Task1 調用xSemaphoreTake獲取信號量，但是初始值是0，沒資源可以用，進入阻塞態；
(2).串口接受中斷接受到新數據，在中斷服務函數中調用xSemaphoreGiveFromISR釋放信號量資源，信號量數值+1，Task1從阻塞態到就緒態，獲取信號量后，信號量計數值-1，變成0；
(3).再次循環時，Task1調用xSemaphoreTake沒資源可用，再進入阻塞，再等串口接受新數據；

注意事項：
(1).中斷函數執行時間要短，防止其他低于中斷優先級的異常沒及時響應；
(2).不要在中斷中實現消息處理，應該在中斷服務函數中發送消息通知，然后在任務中進行消息處理。并且要注意這個任務優先級，使退出中斷服務函數后，任務可以及時執行；
(3).中斷服務程序中一定要調用專用于中斷的信號量設置函數，即以FromISR結尾的函數；

1.3.4 計數信號量API函數

單片機 - FreeRTOS 常用的API(未完)-CSDN博客

1.4 任務間通信 - 消息隊列

1.4.1 消息隊列

指通過RTOS內核提供的服務，任務或者中斷子程序可用把一個消息(FreeRTOS中傳遞的是實際數據)放入到隊列，同時任務或者中斷子程序可用從中獲取；
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支持 FIFO 和 LIFO 的數據存取方式；

1.4.2 任務間消息隊列的實現

假設消息隊列可以放10個消息；
創建了Task1 和 Task2 兩個任務，Task1放數據，Task2取數據；
采用FIFO方式；

假如Task1放數據的速度，比Task2取數據的速度快，消息會放滿，FreeRTOS的消息存放函數xQueueSend支持超時等待；
同樣的，取的速度大于存的速度，消息獲取函數xQueueReceive支持超時等待；

1.4.3 中斷方式消息隊列的實現

假設消息隊列可以放10個消息；
創建任務Task1，和串口接收中斷；
采用FIFO；

串口中斷接受到消息后進行中斷，往隊列里放數據。Task1從隊列里取數據，

(1).串口中斷放數據速度超過 Task1取數據的速度，則會造成存放過滿，但是中斷服務程序的消息隊列發送函數 xQueueSendFromISR 不支持超時設置，所以發送前要用 xQueueIsQueueFullFromISR 檢測消息隊列是否滿了；

(2).假如是取數據的速度? 超過? 放數據的速度。這時候消息隊列是空的，Task1沒東西取，而且Task1 獲取消息的函數是 xQueueReceive ，這個函數可以設置超時等待，沒消息Task1就等著，直到隊列中有消息，或者是超過我們設定的時間；

1.4.4 消息隊列常用API

單片機 - FreeRTOS 常用的API(ing)-CSDN博客

1.5 任務間通信 - 互斥信號量

1.5.1 互斥信號量概念

主要作用是對資源實現互斥訪問，類似二值信號。互斥信號與二值信號的區別是互斥信號可以防止優先級翻轉；

1.5.2 優先級翻轉

假設目前有3個任務 Task1，Task2，Task3，優先級分別是3，2，1，Task1優先級最高；

任務Task1 和 Task3互斥訪問串口打印 printf，采用二值信號實現互斥訪問；
Task3通過二值信號調用printf，被Task1搶占了，開始做Task1；

運行過程：
(1).Task1在運行時需要printf，這時候Task3正在用printf，就會把Task1掛起，等Task3釋放printf;
(2).調度器的作用下，Task3運行過程中，Task2就緒，把Task3給搶了。優先級翻轉出現在這；
(3).Task3因為被Task2搶了任務，所以沒法及時釋放printf，這時候變成得等待Task2干完之后，才能釋放printf，然后才到Task1；
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1.5.3 互斥信號量的實現

首先，我們引入互斥信號量這一步，是為了解決1.5.2 中的優先級翻轉問題；
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互斥信號量的實現是這樣的：
比如Task1和Task2的優先級分別是1和3，首先先是Task1在執行，這時候Task2也需要占用這個資源。那么會先把Task1的優先級抬到3，也就是和Task2的優先級一樣，這時候就算有一個優先級是2的任務，也無法搶占Task1；

然后是Task2被掛起，Task1釋放資源，Task2等待資源，這里Task1釋放完資源，又會回到1的優先級；
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